Sorry, you need to enable JavaScript to visit this website.

उष्णता निर्माण करणाऱ्या प्रणालींचे प्रभावी शीतलीकरण

Read time: १ मिनिट
उष्णता निर्माण करणाऱ्या प्रणालींचे प्रभावी शीतलीकरण

फोटो: कॅस्परस इग्लिटिस

विमानांची अधिक उत्तम कामगिरी करण्याची आणि अधिक वेगाची वाढती गरज विमानांमधील ज्वलनाधारित इंजिनांचे (ज्या इंजिनांच्या आतमध्ये इंधनाचे ज्वलन होऊन ऊर्जा निर्माण होते) तापमानही वाढवते. मात्र, इंजिनांचे तापमान वाढल्याने विमानाला ऊर्जेचा पुरवठा करणाऱ्या गॅस टर्बाईनच्या पात्यांची उष्णतेला तोंड देण्याची क्षमता जवळजवळ संपत येते . ही निर्माण झालेली उच्च उष्णता काढून घेण्यासाठी आणि टर्बाईनचे आयुष्य वाढवण्यासाठी सुधारित शीतलीकरण प्रणालीची (कूलिंग सिस्टीम) गरज भासते. नुकत्याच झालेल्या एका संशोधनात भारतीय तंत्रज्ञान संस्था (इंडियन इन्स्टिट्यूट ऑफ टेक्नॉलॉजी), मुंबईच्या काही शास्त्रज्ञांनी उष्मागतिकीच्या नियमांचा (थर्मोडायनॅमिक्सचे नियम) उपयोग करून गॅस टर्बाईनची पाती आणि इतर उपकरणे यांच्यासाठी सुयोग्य शीतलीकरण प्रणालीचा आराखडा  तयार केला आहे.

भौतिक शास्त्रात “कार्य” याला विशिष्ट अर्थ आहे. एखाद्या वस्तूचे विस्थापन करताना - वस्तू एकीकडून दुसरीकडे हलवताना खर्च होणारी उपयुक्त ऊर्जा ही कार्य स्वरूपात असते. या उलट, कार्य करताना काही ऊर्जा उष्णतेच्या स्वरूपात वाया जाते. उदा. उष्णतेचा प्रत्यक्ष वापर करून एखादा पंखा किंवा गाडी चालवता येत नाही.

या उष्णतेचे पुन्हा कार्यात रूपांतर करण्याच्या अक्षमतेला भौतिकशास्त्त्रज्ञ ‘Entropy’(‘एन्ट्रॉपी’, ऊर्जेचा अपक्षय) म्हणतात. कालानुरूप कोणत्याही प्रणालीतील किंवा यंत्रणेतील एन्ट्रॉपी वाढत जाते.
एखाद्या यंत्रणेत कार्य घडत असताना जेवढी जास्त उष्णता बाहेर पडेल तेवढी त्या यंत्रणेतील एन्ट्रॉपी वाढेल.

एखाद्या पृष्ठभागाला थंड करण्यासाठी संशोधक त्यावर अतिशय सूक्ष्म नळ्या किंवा वाहिन्या - मायक्रोचॅनेल्स बसवतात. या नळ्यांचा व्यास सुमारे एक मिलिमीटरपासून एक सहस्रांश मिलिमीटर (एका मिलिमीटरचा हजारावा भाग) इतका असतो. या नळ्यांमधून हवा, पाणी किंवा द्रवरूप नायट्रोजन यांसारखे वेगवेगळे तरल पदार्थ (फ्लुईड्स) फिरवले जातात. हे पदार्थ पृष्ठभागाची अतिरिक्त उष्णता काढून घेऊन आपल्याबरोबर वाहून नेतात. या नळ्यांचा व्यास जितका कमी तितकी  शीतलीकरण यंत्रणेतील एन्ट्रॉपी कमी होते असे दिसून आले आहे.

संशोधकांना एन्ट्रॉपी आणि नळ्यांचा व्यास यांचा संबंध शोधून काढायचा होता. त्यासाठी त्यांनी तरल पदार्थ नळ्यांमधून ज्या गणितीय सूत्रांनुसार वाहतात त्या सूत्रांसह उष्मागतिकीच्या नियमांचा एकत्रित अभ्यास केला. हे संशोधन डॉ. पल्लवी रस्तोगी यांनी आपल्या PhD संशोधनाअंतर्गत प्रा. श्रीपाद प. माहुलीकर, अंतरिक्ष अभियांत्रिकी (एअरोस्पेस इंजनिअरिंग) विभाग, यांच्या मार्गदर्शनाखाली केले.

प्रथम संशोधकांनी शीतलीकरण व्यवस्थेचे एक असे प्रारूप (मॉडेल) बनवले, ज्यात शीतलीकरण द्रव वाहून नेणाऱ्या नळीचा व्यास 10 सेंमी होता. त्यांना असे आढळले की जर नळीचा व्यास एक मिलीमीटरने कमी केला तर व्यवस्थेतील एन्ट्रॉपी वाढते. असे असूनही त्यांनी हे दाखवून दिले की व्यास 0.2 मिलिमीटरपर्यंत कमी करत नेला तरीही शीतलीकरण प्रभावीपणे करता येते. मात्र व्यास त्यापेक्षाही कमी करत नेला तर द्रव पदार्थाचा प्रवाह अनिश्चित होतो आणि त्याचा अभ्यास करणे अवघड होते.

जेव्हा नळीचा व्यास एक मिलिमीटर पेक्षा कमी होतो तेव्हा द्रवाच्या प्रवाहाचा अभ्यास अधिकच क्लिष्ट होत जातो. "प्रवाहानुसार द्रवाचे वेग, तापमान आदी गुणधर्म बदलतात आणि त्यांचा विचार आम्हाला आकडेमोड करताना करावा लागतो. शिवाय प्रवाहाचे विविध थर एकमेकांवर मोठ्या प्रमाणात घासले जाऊन उष्णता निर्माण होतेच", डॉ. रस्तोगी सांगत होत्या.

यंत्रणेची उष्णता वाहून नेण्याच्या कामात बारीक नळ्या जास्त कार्यक्षम करण्यासाठी संशोधकांनी एकसारख्या बऱ्याच नळ्या वापरून बघितल्या.

"आपण एन्ट्रॉपी कमी करण्यासाठी एकापेक्षा जास्त नळ्या वापरू शकतो का हा प्रश्नच होता. जरी एका बारीक नळीतून उष्णतेचे संवहन (कन्व्हेक्शन)  कसे होते याचा अभ्यास झालेला असला तरी अनेक नळ्या वापरून संवहन कसे होते याचा अभ्यास झाला नव्हता", डॉ.  रस्तोगी म्हणाल्या.

जेव्हा संशोधक नळ्यांचे व्यास कमी करत होते तेव्हा त्यांच्या सिद्धांतानुसार असे अनुमान निघाले की, तरल पदार्थात एन्ट्रॉपी निर्माण होण्याचे दोन पर्यायी मार्ग तयार होतात. "जेव्हा आम्ही नळ्यांचे व्यास अतिशय कमी करत सूक्ष्म स्तरावर पोचलो तेव्हा आम्हाला द्रवाला नळीद्वारे वाहते ठेवण्यासाठी जास्त शक्तीची गरज भासत होती. त्यामुळे जास्त प्रमाणात एन्ट्रॉपी उत्पन्न होत होती. असं असलं तरी या बारीक नळ्या उष्णतेचे वहन करून एन्ट्रॉपी कमी करण्यात हातभार लावत होत्या. म्हणून आम्ही असा एक सुयोग्य पर्याय शोधण्याचा  प्रयत्न करत होतो की  ज्यामुळे कमीत कमी एन्ट्रॉपी उत्पन्न होईल." डॉ. रस्तोगी सांगत होत्या.

हव्या तेवढ्या प्रमाणात उष्णता वाहून नेण्यासाठी नेमक्या किती नळ्या लागतील आणि त्यांचा योग्य व्यास किती असावा हे संशोधकांनी शोधून काढले. ते अशा निष्कर्षाप्रत पोचले की, एकूण १० सेंमी लांबीच्या, सुमारे ६६ मायक्रॉन व्यास असलेल्या साधारण २३० नळ्या एकत्रित वापराव्या लागतील.

या संशोधकांच्या मते, इंटिग्रेटेड सर्किट्सच्या (IC) मायक्रोचिप्स आणि प्रकाशविद्युत घट (फोटोव्होल्टिक सेल - सौरऊर्जेचे विजेत रूपांतर करण्यासाठी त्यांचा वापर होतो) आदी उपकरणे थंड ठेवण्यासाठी देखील या यंत्रणेचा उपयोग होऊ शकतो. डॉ. रस्तोगींनी पुढे सांगितले की, "IC चिप्स, प्रकाशविद्युत घट तसेच टर्बाईन्सची पाती यांना थंड करण्यासाठी लागणाऱ्या प्रणालीचा सैद्धांतिकदृष्ट्या अभ्यास आम्ही केला आहे. या शीतलीकरण प्रश्नाच्या गणितीय बाजूची उत्तरे शोधून काढल्यानंतर ही प्रणाली जिथे प्रत्यक्ष वापरायची असेल त्यानुसार शास्त्रज्ञांना तिच्यात योग्य ते बदल करून घ्यावे लागतील."